GPS原理与接收机————GPS信号及其导航电文

GPS信号结构和信号中所播发的导航电文

●GPS卫星所发射额信号从结构上可分为：载波、伪码和数据码。

载波：

●在这个三个层次中，伪码和数据码一起先通过调制而依附在正弦波形式的载波上，然后卫星将调制后的载波信号播发出去，因此，载波可视为GPS卫星信号中的最底层。

●每颗GPS卫星用两个L波段频率（即L1和L2）发射载波无线电信号，其中载波L1的频率f₁=1575.42MHz，L2的频率 f₂=1227.60MHz。载波频率均属于特高频（UHF）波段。对于任一载波，它的频率f与波长λ存在以下关系：
λ = c / f　　　　c为光在真空中传播速度，约为3 x 10⁸m/s
可以计算出载波L1的波长λ₁约为19cm，而L2的波长λ₂约为24.4cm。

因此原子钟提供的基准频率f₀为10.23MHz，与上述两个载波频率在数值上存在以下关系：

f ₁ = 154 · f ₀
f ₂ = 120 · f ₀

●卫星利用频率合成器可在基准率f₀的基础上产生所需要的f₁和f₂这两个载波频率。

●GPS之所以选择如此大小的两个载波频率值，是基于多方面的条件、因素考虑的，主要包括以下几点：

（1）首先，地球表面的电特性、地貌和电离层等因素对不同频率的电磁波传播有着不同的影响。大体上讲，频率较低的电磁波能沿着弯曲的地表以地波形式传播很长的距离，但它很容易受到干扰，不适合数字通信；高频电磁波以天波形式传播，即电磁波被电离层挡住而反射回来后又继续向地面传播，因而高频电磁波也能传播很长的距离，但是它遭电离层反射的具体情况很难被预测；特高频和更高频率的电磁波以直射波形式传播，能穿透电离层和建筑物，受噪声干扰影响小，适合数字与卫星通信，但它的缺点可体现在以下两方面：
一是，地球表面的弯曲度限制了其直线传播的距离；
二是，系统损耗会随着其工作频率的升高而增大。
处于特高频波段的 GPS 载波信号以直射波形式传播，这符合 GPS 基于卫星的全球定位功能的要求。

（2）其次，作为电磁波频谱的一部分，无线电波的频带是有限的宝贵资源。为了有效地利用频谱资源和减少无线电波之间的相互干扰，国际上和各国均设立了相应的组织、机构来管理频谱资源的分配和利用，例如：联合国属下的国际电信联盟（ITU）和美国的联邦通信委员会 (FCC)等。自然，GPS 载波频率的选择也必须遵守这一规范。

（3）再次，因为伪码信号会被用来调制载波信号，所以这要求载波频率必须远远高于伪码频宽。 GPS 信号中的P（Y）码频宽至少在 20.46MHz 以上，故 GPS 载波频率必须远高千 20.46 MHz。

（4） GPS 卫星信号呈右旋圆极化（RHCP)，而关于电磁波的极化问题以及 GPS 信号的右手圆极化特点。

伪码：

●GPS从根本上讲是一个基于码分多址（CDMA）的扩频（SS）通信系统，而这个码正是指伪码，它是GPS信号结构中位于载波之上的第二个层次。

●我们将伪码中的一位二进制数称为一个码片（chip）或者称为一个码元。

●一个码片的持续时间T_c称为码宽；单位时间内所包含的码片数目称为码率。码率值等于码宽T_c的倒数：1 / T_c　码片 / 秒（或赫兹）

m序列（《通信系统》有讲）

●码分多址系统需要具有良好自相关特性的二进制数序列作为码，即要求码与其本身的平移正交。为了减少噪声和其他码对一个码的自相关运算的干扰，我们要求码看上去最好是随机的。虽然上二进制数随机序列能满足这一个条件，但是由于它不能复制而很难在实际中加以利用。

●伪随机噪声码简称伪随机码或者伪码，它不但是一种能预先确定的、有周期性的二进制数序列，而且又具有接近于二进制数随机序列的良好自相关特性。

●这种周期性的伪随机码可由一个多级反馈移位奇存器产生。

●五级反馈移位寄存器电路，其中第一级奇存器位于电路的最左边，而第三级和第五级奇存器输出值的异或相加结果反馈作为第一级奇存器的输人。通常，最后一级奇存器的输出端用做整个多级反馈移位寄存器的伪随机码输出端。

※ 异或加法（模2和）；
※ “+1”和“-1”表示“0”和“1”；
※ 历元：参考的时刻点，作为时间参考标准的一个特定瞬时。

●五级寄存器一共存在32（即2⁵）个不同的状态，其中当五级寄存器的输出全部是0时的状态为无效状态，剩下31（即2⁵-1）个不同的有效状态。

●五级移位寄存器在一个周期内经历所有可能的31个有效状态，我们把这种有n级反馈移位寄存器产生的，周期等于最大可能值（即2ⁿ-1码片）的序列称为最长线性反馈移位寄存器，通常称为m序列。（maximum）

●有时为了表明一个m序列的周期长度，我们可以将由一个n级反馈寄存器所产生的m序列称为 n级m序列。　（五级m序列）

☆反馈连接方式不同，产生周期相同，但结构不同（即输出码片不同）

●一个n级m序列 x（t）属于线性伪随机码，它有许多特性，包括以下几点：

①m序列的周期N等于 2ⁿ-1 码片，即 N= 2ⁿ-1。于是我们通常称该m序列码的长度为N码片，或者说一码相当于N码片。
对于一个周期为N的序列，它自然存在以下的状态重复性：
　　　　　　　　x（t）= x（t+N·T_c）
或者表达成离散型形式：
　　　　　　　　x（k）= x（k+N）

②在m序列的一个周期中，值为1和值为0的码片出现概率均等于0.5，并且值为1的码片比值为0的码片多出现一次。（16个“1”，15个“0”）

③m序列x（t）的自相关函数R_x（τ）为：

R^x（i·T_c）= 1 ；　　　当i是N的整数倍时；
R^x（i·T_c）= -1/N ；　　当i不是N整数倍的其他整数时。

注：自相关函数是为了定量地确定信号x（t）与时移副本x（t-τ）的差别或相似程度。（自相关函数是表达信号和它的多径信号的相似程度）

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